Abbildung von Oberflächenhöhenprofilen mittels optisch gefangener Kugeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Oberflächen spielen in Natur und Technik eine besondere Rolle, denn sie trennen nicht nur Außen von Innen, sondern steuern auch chemische Reaktionen und regulieren den Austausch von Druck, Licht, Wärme und Feuchtigkeit. Um die Eigenschaften von Oberflächen auf molekularer Ebene zu verstehen, bedarf es spezieller Messtechnik, um kleinste Strukturen räumlich zu untersuchen und aufzulösen, ohne sie zu zerstören. Optische Fallen spielen in den Bio-Nano-Wissenschaften eine wichtige Rolle, da sie in der Lage sind, flexibel kleinste Kräfte auf winzige Strukturen in flüssigen Umgebungen auszuüben. In Kombination mit fortschrittlichen 3D-Teilchenverfolgungstechniken wie der Back-Focal-Plane-Interferometrie ermöglichen sie die Erfassung solch kleinster Kräfte, die auf diese Strukturen ausgeübt werden. Ähnlich wie beim Rasterkraftmikroskop AFM, aber viel empfindlicher, kann eine optisch eingefangene Sonde über eine strukturierte Oberfläche gescannt werden, um das Höhenprofil aus den Verschiebungen der Sonde zu erhalten. Diese Technik wird Photonische Kraftmikroskopie (PFM) genannt. Zu Beginn dieses Projekts haben wir eine zuverlässige Höhenprofilierung und Oberflächenabbildung durch eine Kombination aus einer zeitlich geteilten optischen Doppelfalle und einer nanometergenauen dreidimensionalen interferometrischen Partikelverfolgung demonstriert. Das wiederholte Anhaften der Sonde an der Probe und die Komplexität einer optischen Doppelfalle schränkten jedoch die Anwendbarkeit ein. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sind wir einen ähnlichen Weg gegangen wie die AFM-Technologie in ihren Anfängen: Wir haben einen optischen Tapping-Modus entwickelt, bei dem die gefangene Sonde durch zwei hin-und herschaltende Laserfoki mit bis zu 100 Hz vertikal oszilliert wird. Durch die resultierenden kurzen Kontaktzeiten zwischen Sonde und Probe konnte das Ankleben der Sonde deutlich reduziert werden, ohne dass die Qualität des Bildprofils darunter litt. Mit Hilfe von Brownscher Dynamik Computersimulationen entwickelten wir einen neuen Analysealgorithmus, der zu einer besseren Hintergrundstabilität und Höhenprofilextraktion in den Bildern führt. Darüber hinaus haben wir einen Weg gefunden, den zweiten Laserfokus zu vermeiden, der die Aufgabe hatte, nur das von der Probe gestreute Licht zu messen, das für eine präzise 3D-Sondenverfolgung und Höhenrekonstruktion erforderlich ist. Bei dem neuen Ansatz können die Streusignale der Probe aufgezeichnet werden, wenn sich die gefangene Sonde in der oberen Position befindet, d. h. nicht in Kontakt mit der Probe war. PFM-Scans im Tapping-Modus konnten an der typischerweise klebrigen Zellperipherie mit hoher Qualität durchgeführt werden, ohne dass die Sonde verloren ging.
